Nanopartículas de supraconversão para terapia fotodinâmica

Retorno aqui à terapia fotodinâmica (TFD), já introduzida neste blog. Na primeira postagem sobre o tema já foi exposta a importância de a luz utilizada para a TFD penetrar profundamente em tecidos biológicos. Geralmente, os melhores resultados são obtidos com luz com comprimento de onda entre 600 e 800 nm.

Determinados tipos de luz infravermelha, invisível, com comprimentos de onda entre 800 e 1000 nm, também possuem alto poder de penetração em tecidos biológicos.

Há luz na escuridão, de um tipo pouco explorado em mas com muito potencial para TFD.
A nanotecnologia pode ajudar a explorá-la eficientemente.
Fonte da imagem aqui.

Porém, luz infravermelha além de 800 nm não pode ser utilizada em protocolos convencionais de TFD por não possuir energia suficiente para iniciar as principais fotorreações responsáveis pela eficácia da terapia.


Mas a nanotecnologia e a óptica não-linear parecem oferecer soluções para este problema por meio das nanopartículas de supraconversão, NSC (sugiro essa tradução ao termo inglês "upconversion nanoparticles", que vem sendo usado mesmo em português).

Um sistema baseado em NSC e projetado para TFD foi recentemente exposto em um artigo publicado em um periódico importante da área de nanotecnologia (ver fonte). Esse tipo de sistema permite utilizar, em TFD, comprimentos de onda na faixa do infravermelho além de 800 nm. No trabalho em questão, foi utilizada luz de comprimento de onda de 980 nm.

Este sistema funciona de maneira elegante: dois ou mais fótons (hv) são absorvidos pela nanopartícula de supraconversão (NSC) e convertidos a um único fóton de energia superior. É esse fóton mais energético que pode iniciar com o fotossensibilizante (FS) as fotorreações necessárias para produzir espécies reativas (ER) e oxigênio singlete, os quais causam danos à célula-alvo. O segredo das NSC está nos lantanídios de sua composição.

Tendo absorvido luz infravermelha, essa NSC emite intensamente luz verde (com comprimento de onda de 540 nm). Estes fótons emitidos possuem energia suficiente para iniciar fotorreações para a produção de espécies reativas como o oxigênio singlete. Esta NSC   emite ainda, em menor intensidade, luz vermelha.


Mas a produção das espécies reativas carece de um fotossensibilizante, visto que é este agente que funciona como um fotocatalisador. No trabalho em questão os autores usaram o rosa de bengala, que absorve intensamente a luz emitida pela NSC e então produz espécies reativas.


O rosa de bengala foi ligado covalentemente às NSC e o resultado foi um sistema ativado por luz infravermelha e útil à TFD. A figura abaixo mostra que as NSC excitadas com luz infravermelha emitem luz verde. Mas, quando associadas ao fotossensibilizante rosa de bengala, apenas a luz vermelha emitida por este sistema é observada, visto que a luz verde é intensamente, quase totalmente, absorvida pelo rosa de bengala.

Em "c", as NSC puras emitem intensamente luz verde quando excitadas com luz infravermelha. Em "d", apenas luz vermelha é emitida, visto que as NSC estão associadas covalentemente com o rosa de bengala (estruturas em vermelho na representação abaixo).

Este sistema de NSC e fotossensibilizante é uma solução genial à limitação representada pela relativamente baixa energia dos fótons com comprimento de onda acima de 800 nm.


Fonte: "Liu et al, ACS Nano, 2012, 6 (5), pp 4054–4062" 

Modelo artificial 3D de câncer para experimentos com nanopartículas

As ciências farmacêuticas nos forneceram armas que desequilibraram a nosso favor a guerra contra diversas doenças que faziam a expectativa de vida da população ficar abaixo de meio século. Antibióticos contra infecções bacterianas, vacinas contra diversos tipos de patógenos, anti-hipertensivos contra a pressão arterial alta, e muitas outras. Hoje se vive para além dos 70 com facilidade. Com o aumento do tempo de vida, a chance de desenvolvermos um câncer aumenta. Assim, países desenvolvidos, que conseguem fornecer adequadamente à sua população os tratamentos disponíveis contra as diversas doenças, veem aumentar a incidência de câncer entre os seus. Mas ainda não foram encontradas armas que reúnam eficácia e segurança para combater este mal.

Representação de uma célula tumoral maligna.

O câncer é nascido das nossas próprias células e compartilha diversas características com nossos tecidos sadios. É irrigado por vasos sanguíneos, consome os mesmos nutrientes consumidos por nossas células e usa a mesma maquinaria metabólica celular - apesar de esta funcionar com alguns defeitos -. É difícil fazer com que um fármaco mate apenas o câncer e não a nós mesmos. É difícil mesmo diagnosticar o câncer em estágios iniciais, quando as chances de cura são maiores.

Nanopartículas são potencialmente úteis para terapias seguras e eficazes contra o câncer. Elas também abriram novas possibilidades para o diagnóstico desta doença. Diagnóstico e terapia têm sido amalgamadas em uma só palavra, teranóstico, graças em grande parte à nanotecnologia. 

Para testar essas nanopartículas como ferramentas teranósticas, cientistas desenvolveram um modelo de câncer mantido in vitro, ou seja, sem a necessidade de animais hospedeiros. Este modelo foi descrito em publicação recente (Ho et al, Theranostics 2012; 2(1):66-75). Basicamente, células de câncer de um tipo de câncer de cérebro conhecido como glioma foram mantidas em uma rede tridimensional polimérica que serve como base de sustentação para que o câncer se desenvolva. Tumores esféricos de cerca de 200 micrometros foram formados neste suporte. O mais impressionante vem agora: os cientistas expuseram o tumor a células de vasos sanguíneos (endoteliais) bovinos. Com os estímulos adequados, vasos sanguíneos foram originados em torno do tumor, mimetizando parcialmente o que é observado no câncer de cérebro de fato.

Tumor de cérebro in vitro (Imagem: Sun Lab/Brown University)

Convencionalmente, experimentos in vitro eram realizados com células que não interagiam entre si e tampouco formavam um tumor tal como o observado em organismos vivos. No estudo citado anteriormente, o modelo 3D possibilitou que a interação de nanopartículas de óxido de ferro com as células tumorais fosse mais próxima àquela observada in vivo. Particularmente importante é a presença dos vasos sanguíneos, visto que estes geralmente representam uma barreira a ser transposta pelo fármaco antes de atingir a célula cancerígena.

Este tipo de modelo experimental é essencial para que novas armas contra o câncer sejam desenvolvidas. Testar um novo material in vitro torna mais fácil a tarefa de conhecer o mesmo e de adaptá-lo às necessidades da terapia ou do diagnóstico.

Fonte: THNO

Nanobolhas plasmônicas contra o câncer

Um dos desafios na quimioterapia contra o câncer é fazer com que os agentes quimioterápicos atinjam o interior da célula cancerígena. É geralmente lá que eles atuam. Algumas células cancerígenas conseguem ser resistentes a determinados agentes quimioterápicos pelo simples fato de que não permitem que estes se acumulem em seu interior. Trata-se de câncer e, assim, cientistas veem uma enorme urgência em driblar este problema. Sem nanoproselitismo, caro leitor, a nanociência ofereceu, mais uma vez, uma arma fantástica para nos fortalecer na guerra contra o câncer.

Experimentos realizados na Rice University, EUA, mostraram que é possível melhorar o acesso dos quimioterápicos ao interior de células cancerígenas pelo uso de laser e nanopartículas de ouro. O método testado fragiliza células cancerígenas por meio da formação de nanobolhas plasmônicas em suas membranas. 

Nanobolhas plasmônicas formadas na membrana plasmática facilitam a entrada de quimioterápicos em células cancerígenas. Esta figura ilustra esse efeito. O ovoide roxo representa a nanobolha plasmônica que interrompe a membrana plasmática (linha preta) de uma célula. As quatro esferas avermelhadas dentro da nanobolha são as nanopartículas de ouro. Os pontos azuis representam um agente quimioterápico qualquer. (Fonte: Lukianova-Hleb et al. 2012 Advanced Materials; DOI: 10.1002/adma.201103550)

O primeiro passo dessa técnica é dispor nanopartículas de ouro sobre a superfície de células cancerígenas. Essa tarefa é facilitada pelo fato de que estas nanopartículas possuem determinados anticorpos* em sua superfície que aumentam a seletividade às células cancerígenas. Além disso, em comparação a células sadias, células cancerígenas captam nanopartículas de ouro mais avidamente.
O segundo passo é expor a célula ao agente quimioterápico e irradiá-la com laser pulsátil. A pulsação do laser faz com que as nanopartículas presentes na célula sejam aquecidas. Esse aquecimento gera nanobolhas de ar e vapor, chamadas pelo cientistas de nanobolhas plasmônicas porque são geradas pelos plasmons de ouro (as nanopartículas de ouro) excitados pelo laser.

As nanobolhas plasmônicas fragilizam a célula cancerígena. Uma de suas principais barreiras, a membrana plasmática, é severamente fragilizada, permitindo assim a passagem de agentes quimioterápicos de fora para dentro. Na prática, foi possível aumentar em 30 vezes (!) a letalidade de certos quimioterápicos contra células cancerígenas mantidas in vitro. Achou pouco?

Entenda melhor assistindo ao vídeo abaixo.

*Anticorpos são proteínas utilizadas pelo nosso sistema imunitário para uma gama de funções. Como possuem a capacidade de ligar fortemente estruturas moleculares específicas, os anticorpos são empregados por cientistas para fins diversos, inclusive para aumentar a especificidade de nanoestruturas por determinados alvos terapêuticos.